книги / Справочное пособие по теплотехнологическому оборудованию промышленных предприятий

	Табл. 9.13. Температурная депрессия					водных		растворов		(°С) при			абсолютном давлении 98,1				кПа
							Концентрация раствора,					весовые %
вещество	10	20	30	3 5	40	45	|	50 |	55	|	GO	|	G5	| 70 |	7 5 |	60 |	85 |	90 |	9 5
СаС12	1,5	4,5	10,5	14,3	19,0	24,3		30,0	36,5		43,0		50,7	60,0	75,0	_	_	_	_
Са(ЫОз).	1 , 1	2,5	4,3	5,4	6,7	8,3		1 0 ,0	13,2		17,2		23,0	31,2	40,2	49,2	—	—	—
CuS04	0,3	0 , 6	1,4	2 , 1	3,1	4,2
FeS04	0,3	0,7	1,3	1 , 6
КС1	1,3	3,3	6 , 1	8 , 0	4,5	5,2			7,2		8,5				13,7
KN03	0,9	2 , 0	3,2	3,8				6 , 1					1 0 ,0	1 1 , 6		—	—	—	—
кон	2 , 2	6 , 0	1 2 , 2	17,0	23,6	33,0		45,0	60,4		78,8		100,5	126,5	155,5	190,3	225,0	—	—
К0СО3	0 , 8	2 , 2	4,4	6 , 0	8 , 0	10,9		14,6	19,0		24,0		31,4	—	—	—	—	—	—
MgCI2	2 , 0	6 , 6	15,4	2 2 , 0	7,0
MgS04	0,7	1,7	3,4	4,8		14,0
NH4CI	2 , 0	4,3	7,6	9,6	1 1 , 6						13,2		15,7	19,0	23,0	28,0	35,5	47,5	72,5
N H 4N O 3	1 , 1	2,5	4,0	5,1	6,3	7,5		9,1	1 1 , 0
(NH4)2S 0 4	0,7	1 , 6	2,9	3,7	4,7	5,9		7,7
NaCl	1,9	4,9	9,6	—							14,5		17,9
NaNOs	1 , 2	2 , 6	4,5	5,6	6 , 8	8,4		1 0 , 0	1 2 , 0					—	—	—	—	—	—
NaOH	2 , 8	8 , 2	17,0	2 2 , 0	28,0	35,0		42,2	50,6		59,5		69,0	79,6	92,0	106,6	124,0	145,5	174,5
Na2C03	1 , 1	2,4	4,2	5,3
Na2S 0 4	0 , 8	1 , 8	2 , 8

кого пара последнего корпуса, температура кипения раствора последнего корпуса, температурная депрессия и концентрация раствора в последнем корпусе, количе­ ство выпаренной воды по всей установке и располагаемая разность температур всей установки.

Искомыми величинами, которые уточняются в ходе расчета, являются: кон­ центрация раствора в корпусах, температурные депрессии, полезные разности температур, давления.

Точность расчета контролируется отношением тепловых, нагрузок по корпу­ сам. При двухкамерной установке между отношениями тепловых нагрузок (при­

нятых и полученных при пересчете) допускается расхождение в 5 1	а для трех
н более корпусных установок — 10 %.
Количество выпаренной воды во всей установке определяется по формуле
U7=G1 ( l - a 1/fln),
где G1 — расход раствора, кг/ч; аи ап — соответственно начальная	и конечная
концентрации раствора.
Количество выпаренной воды по корпусам обычно является одинаковым:
U7, = iF2= ...=Fn==(№ -£i)/n,

где Е\ — количество отобранного экстрапара.

Величина промежуточных концентрации раствора по корпусам вычисляется по формуле

где ai — конечная концентрация раствора в i-м корпусе.

Температурные депрессии рассчитываются при конечных значениях концен­ трации раствора, так как средняя концентрация его в корпусе близка к конечной (раствор подается непрерывно в небольших количествах к имеющемуся в корпусе большому количеству раствора).

По таблицам (см. табл. 9.13) или расчетным путем определяются температу­ ры кипения или депрессии при атмосферном давлении для всех корпусов установ­ ки. Если последний корпус находится под вакуумом, то необходимо вводить по­ правку на депрессию.

Если	известна температурная депрессия					раствора	при	атмосферном		давлении
Да™, то можно найти температурную депрессию Д, при любом									давлении по при­
ближенной формуле И. А. Тищенко:
				Д, =	ЛД?™,
где k =16,2 T-jr\			Т — абсолютная	температура кипения раствора, К; г — теплота
испарения		воды при данном давлении, Дж/кг. Значения k в зависимости от дав­
ления приведены в та.бл. 9.14.										1—3 °С,
Величину гидростатической депрессии Д2 обычно принимают равной
а гидравлической			депрессии Дз— 1—2°С; для аппаратов с многократной цирку­
ляцией раствора она может быть принята равной 5 СС на одну ступень.
		Табл. 9.14. Значения поправочного коэффициента
			температурной депрессии k
р , МПа	j	*	f| Р, МПа |	*	||	Р, МПа |	*	|	р , МПа |	к
			1		1			1
0 ,0 0 6		0 ,6 4	0 ,0 2	0 ,7 6		0 ,0 6	0,91		0 ,2 0	1,14
0 ,0 0 8		0 ,6 5	0 ,Р З	0,81		0 ,0 8	0 ,9 5		0 ,2 5	1,19
0 ,0 1 0		0 ,6 9	0 ,0 4	0 ,8 5		0 ,1 0	1,00		0 ,3 0	1,23
0 ,0 1 5		0 ,7 3	0 ,0 5	0 ,8 8		0 ,1 5	1,07

2 3 3

Располагаемая разность температур равна разности температур греющего пара первого корпуса tnl и вторичного пара последнего корпуса tn:

^расп = ^п1 ^п"

Полезная разность температур равна разности между располагаемой темпе­ ратурой и суммой температурных депрессий всех корпусов:

Д^пол — Д^расп — 2 А.

Полезный перепад температур в первой ступени выпарной установки

где а — коэффициент, зависящий от вязкости раствора: для растворов, вязкость которых при выпаривании меняется незначительно, а= 0,2—0,5; для растворов с умеренным изменением вязкости при выпаривании а=0,5—0,8 ; для растворов, вязкость которых при выпаривании сильно изменяется, а = 0,8—1 ,0 ; i — номер ступени; п — число ступеней в установке.

Полезные перепады температур для остальных ступеней установки

Далее определяются температура раствора и параметры вторичного пара по ступеням установки путем последовательного вычитания из температуры греюще­ го пара величин AU и (Ai)i. По результатам расчета составляется итоговая таб­ лица значений параметров пара и раствора.

На следующем этапе расчета составляется тепловой баланс выпарной уста­ новки (см. гл. 5) и вычисляется расход греющего пара. После определения коли­ чества тепла, передаваемого через поверхность нагрева корпусов, сравнивается

отношение тепловых	нагрузок	Q2/Q1, Q3/Q 1, ... с	принятыми	первоначально:
Qa/Qi = WVWV. Q*IQi=WilWi, ...		При расхождении,	превышающем норму, расчет
повторяется.	поверхности нагрева по ГОСТ 11987—73			выбирают вы­
После определения

парной аппарат. Если стандартные аппараты не удовлетворяют технологическим требованиям, производят конструктивный расчет, целью которого является опре­ деление числа трубок, их размещения в трубной доске, диаметра корпуса и раз­ меров парового пространства, диаметров штуцеров и паропроводов.

Диаметр и длину трубок выбирают по ГОСТ 11987—73. Большие значения

. диаметров рекомендуют для вязких и кристаллизирующихся растворов. Диаметр циркуляционной трубы находят по площади, которая должна составлять 25—35 % суммарного сечения всех кипятильных трубок.

При размещении трубок стремятся обеспечить максимальную компактность, плотность и прочность их крепления, простоту изготовления трубной доски и сборки трубного пучка. Этим требованиям обычно соответствует размещение труб по вершинам правильных шестиугольников. Площадь, занятая п трубками на трубной плите, при шаге t= (1,3—l,5)rfn определяются по формуле

/ т=(0,866*2п)ф,

где ф — коэффициент использования плиты: ф = 0,7—0,9.

Если аппарат имеет центральную циркуляционную трубу и раствор кипит в трубах, то площадь трубной решетки

/т.р — /т ~ Я^КОрп/4»

где /ц=0,785 (rfu+ 2 / ) 2 — площадь циркуляционной трубы; d^=dmi V (О»3 — 0,6)л — диаметр циркуляционной трубы, м.

2 3 4

W„ =	7icLmL\kkt	„	рп — плотность
	------------------ — паропроизводительность	кипятильном трубы;
пара, кг/с; г — теплота парообразования вторичного пара, кД ж /кг;			dlt Li — внут­
ренний	диаметр и длина кипятильной трубы,	м; k — коэффициент	теплопередачи,
кВт/(м2 • К); А /— температурный напор между греющим паром и			кипящим раст­
вором,	К-

Выражения для сопротивлений участков циркуляционного контура приведе­

ны в работе [5].

Методику И. А. Тищенко нельзя применять при расчетах установок для упа­ ривания кристаллизирующихся растворов. В этом случае пользуются методикой, предложенной Т. А. Колачем [5].

Рассчитаем, например, трехступенчатую	выпарную установку непрерывного
действия для концентрирования 5000 кг/с 1 2	%-ного водного раствора	N aN03.
Конечная концентрация раствора Ьн= 40 %.	Схема выпарки прямоточная.	Раст­

вор поступает на выпарку подогретым до температуры кипения. Давление грею­ щего пара р=0,4 МПа, 0=143°С. Вакуум в барометрическом конденсаторе 78 кПа.

Схема установки представлена на рис. 9.34.

1.Определяем количество воды, выпариваемой в установке:

(	bt \	5000	(	12 \
1 ~	бГ) =	1 бМ	(' _	4 о ) = ° ’9 7 КГ/С = 3 5 0 0 КГ/''-

2.Количество выпариваемой воды по корпусам примем на основании прак-.

тических данных [5] в следующих соотношениях: W\ : №3= 1,0: 1,1 : 1,2. Так как экстрапар не отбирается, то 1^1=1060 кг/ч, U^2= 1167 кг/ч, И7а=1273 кг/ч.

3. Выполняем расчет концентрации раствора по корпусам. Из корпуса 1 в корпус 2 переходит раствор:

G1 = GQ— W1 = 5000 — 1060 = 3940 кг/ч;

.	GQ6Q	М ° ° - 1 2 - = 1 5 ,2 % .
f’1 _	о , - г ,	3940

Из корпуса 2 в корпус 3 переходит раствор:

G2 = Go — Wi — W2 = Gy — W2 = 3940 — 1167 = 2773 кг/ч;

_	Gpbp _	5000 • 12 _ 21 6 %
”	Go	2773

236

Из корпуса 3 выходит раствор:
GK= G0 — W = 5000 — 3500 =		1500 кг/ч;
Gpbo	5000 • 12	40 %.
6К=	=
G3	1500

4. Находим распределение перепада давлений по ступеням.

Разность между давлениями греющего и вторичного паров в барометрическом конденсаторе

Ар=0,392—0,020=0,372 МПа.

Распределяем предварительно	перепад давлений между корпусами поровну,
т. е. на каждый корпус придется
Лр| 2 з =	0,372
	g = 0,124 МПа.

Значения абсолютного давления по корпусам составят: в корпусе 3 р3= 0,020 МПа (задано);

вкорпусе 2 р2=0,02+0,124=0,144 МПа;

вкорпусе 1 Pi=0,144+0,124=0,268 МПа;

р= 0,268+0,124=0,392 МПа.

По справочным таблицам [22] находим температуры насыщения водяного пара и теплоту парообразования для принятых давлений в корпусах:

		/ 5 , X	г, кД ж /кг
в	корпусе 1	130	2174
в корпусе 2		п о	2278
в	корпусе 3	60	2353
греющий пар		143	2136

Эти температуры, согласно сделанному допущению, являются и температу­ рами соответствующих вторичных паров по корпусам.

5. Вычисляем температурные потери по корпусам.

По табл. 9.13 находим значения температурной депрессии при атмосферном

давлении:
в корпусе 1	& i= 15,2%	Ал,	=	2°С
вгкорпусе. 2	Ьо = 21,6 %	Ал-	=	3 °С
в корпусе 5	Ь3 = 40%	Ал,	= 7 ° С
		2 Ал =		12 °С
Так как поправка на давление не превышает		±25 %	(см. табл. 9.14), то ею
можно пренебречь.

Определяем гидростатическую депрессию, приняв расстояние от верхнего уровня жидкости в аппарате до средины омываемой жидкостью поверхности на­

грева	равным 0,4 м. По формуле & p = p g h . определяем повышение гидростатиче­
ского	давления	по корпусам.	В	корпусе /
	Pi = Pi + Дрл = 0,268 +			1056 • 9,8 • 0,4	• 10-® = 0,272 МПа.
Температура		кипения при	рл	^ = 130,93 °С,	при рх ts = 131,52 °С; Дал =

=131,52 — 130,93 = 0,59 °С. Аналогично для корпусов 2 и 3:

Д22 = 0,96°С; Д2з = 5,32°С.

Суммарная гидростатическая депрессия 2Да = 7 Х .

Гидравлическую депрессию определяем, исходя из того, что разности темпе­ ратур на каждом интервале между корпусами равны 1°С. Тогда

2 Аз = 3 °С.

237

Полная депрессия

2 Д = SAi + 2Дг + 2 А з= 12 + 7 + 3 = 22 °С.

Общая разность температур равна 143—60=83 °С, следовательно, полезная разность температур

Дг*,,=83 —22=61 °С.

6 . Определяем температуры кипения растворов в корпусах. Для этого

используем уравнение

3

*к = *в.п + 2 Дь

1

где /в п— температура вторичного пара, °С. Тогда

в	корпусе 3	tK =	60 +	7 +	5,32 +	1	«	73 °С;
в	корпусе 2	fKj =	110 +	3 +	0,96 + 1		я	115 °С;
в	корпусе 1	tKi =	130 +	2 +	0,59 +	1	*	134 °С.

7.Выполняем расчет коэффициентов теплопередачи по корпусам.

По найденным температурам кипения и концентрациям растворов в корпусах подбираем в справочниках расчетные физические характеристики растворов: плот­ ность, теплопроводность, теплоемкость и вязкость. Далее задаемся диаметром труб (обычно 25—50 мм) и их длиной (в зависимости от типа выпарного аппара­ та). По этим данным рассчитываем коэффициенты теплоотдачи для конденсиру­ ющегося пара и кипящего раствора и коэффициент теплопередачи, при этом необ­ ходимо учитывать толщину слоя отложений порядка 0,5 мм.

Для упрощения расчетов задаемся коэффициентами теплопередачи на осно­ ве практических данных:

для	корпуса	1	k i=	1821 Вт/(м2	• К);
для	корпуса	2	k2=	986 Вт/(м2	• К);
для	корпуса	3	k%=	580 Вт/(м2	• К).

8. Составляем тепловые балансы по корпусам. Расход тепла в корпусе 1

1

Qi = Г л = 1060 .2174= 640 кВт. 3600

Раствор приходит в корпус 2 перегретым, и, следовательно, в балансе сла­ гаемое (Знагр отрицательно (теплота самоиспарения) и расход тепла

Q« - Г«г, - O ld (/Kl -		<Kj =		- 1П67 - 2278 - 3940 - 3,54 (134 - 115)) =
			=	646	кВт,
		Ьх	-	15,2	- = 3,54		кДж/(кг • К).
Cl =	“	1		100
		ШО =
Расход тепла в корпусе 3
Q3 = W3r3 — G 2C2 (tKs — tKa) =			[1273 • 2353 — 2773.3,28 (115 — 73)]/3600 =
			=	720	кВт.
Расход греющего пара в корпусе 1
	D _	Qi		640		=	0,306 кг/с.
		/УП,,	2136 -0,98

238

Удельный расход пара

D_ 0,306 • 3600

= 0,338 кг/кг.

W3500

9.Проводим распределение полезной разности температур по корпусам в двух вариантах: из условия минимальной общей поверхности корпусов, т. е. пропорци­

онально V Q /k , и пропорционально Q/k, Определяем факторы пропорциональности: корпус 1

Qi	640 • 103			-1 /	ОТ
1 Г =	' Т 821	= 3 7 6 > «ли 0,376;		] /	^ - - 0 . 6 1 2 ;
корпус 2
ХГ =	646 • 1 03		или ^>656;	п /"О Т
	----986—	=		у	-j^- = 0,809;
корпус 3
' ^ =	~ 2°S80L° 3	= |242’	илн *-242;		1-1М:
	1		1

Полезная разность температур по корпусам:

вариант минимальной общей поверхности

■ V i

A*i = -

61 -0,612

Л/1 “ Т 5 з Г = 14 ,8 с

61	■0,809	19,5°С
Atz =	=
	2.535
61	• 1,114	26,8°С
Д/з =	=
	2.535

2Aff = 61,l°C

10. Определяем поверхности нагрева:

вариант минимальной общей поверхности

вариант равной поверхности корпусов

			Qi
	=	Д/п kt
		—	-----“
			Qi
			i
M x =	61 •	0,376		ift ,
			=	10,1 C
	2.274
A/« :	61 - 0,656			17,6°C
	2.274		=
Af3 =	61 •	1,242
	2.274		= 3 3 ,4 °C
	2 Ati =		61,1 °C
	вариант		равной

поверхности корпусов

Qi ktMi

Л =	640000		Ft	640000
	1821 •	= 25,3 м2		= 37,2 м*
		14,8		1821 • 1 0 ,1

239

F« =	646000			Ft	646 000	~ Z1,2 M2
	986 • 19,5 =	33,6	м2		9 8 6 -1 7 ,6
^3 =	720 000	46,8	2	F3	720000		M2
	=		м		580-33,4	~ 37,2
	580 • 26,8
	2Fi = 105,4 M2				111,6 M2

Таким образом, при расчете на равную поверхность корпусов общая поверх­ ность нагрева получается больше только на 6 %. Поэтому вариант равной по­ верхности корпусов более благоприятен, так как обеспечивает выбор однотипного оборудования для всех ступеней установки.

1 1 . Проверяем температуру вторичных паров и давлений по корпусам:

Корпус	Температура кипения, °С	Температура конденсации (вторич­	Давление,
		ного пара), °С	МПа
1	143— 10,1 = 132,9	132,9—3,6=129,3	0,265
2	129,3— 17,6=111,7	111,7—5=106,7	0,129
3	106,7—3 3,4=73,3	73,3— 13,3=60	0,0196

После этого выполняем уточненный тепловой расчет. Затем выбираем по ка­ талогам аппараты и вспомогательное оборудование. Производим гидравлический

имеханический расчеты.

Впоследнее время для расчетов выпарных установок широко используются ЭВМ. Это позволяет принимать оптимальные конструкторские решения как при проектировании самих аппаратов, так и при выборе тепловых схем установок.

9.4.5. Особенности расчета колонн

синтеза аммиака
Тепловой расчет колонны синтеза аммиака включает следующее	[85]:
1 ) составление тепловых балансов всей колонны и отдельных частей насад­
ки; установление и определение температур газа в узловых точках насадки;
2 ) определение поверхностей теплообмена нижнего теплообменника;
3) установление температурного режима катализаторной зоны;	расчет по­

верхности теплоотводящих трубок катализаторной коробки трубчатой насадки или определение объема полок и количества байпасного газа полочной насадки;

4) расчет основных размеров пускового электроподогревателя.

Исходными технологическими данными для теплового расчета насадки явля­ ются: производительность колонны; рабочее давление газа; количество и состав газовой смеси (содержание аммиака и инертных газов) на входе в колонну и на выходе из нее, полученные из материального баланса агрегата; объем катализа­ тора; зависимость, характеризующая кинетику катализа; температура газовой смеси на входе в колонну. Кроме того, до проведения теплового расчета необхо­ димо выбрать тип и конструкцию насадки и определить ориентировочные разме­ ры корпуса колонны.

Исходной величиной для предварительного расчета основных размеров насад­

ки и корпуса колонны является объем катализатора, который определяют			из
уравнения материального баланса аммиака в колонне:
& г	(wV+ Vb)k2+Vb=wVku
где w — объемная скорость	(количество выходящего из колонны газа на 1 м3 на­
сыпного объема катализатора), кмоль/(м3• с);		V — объем катализатора, м3; Va —
количество образующегося	аммиака, кмоль/с;	fci, k2— мольные доли аммиака	в
газовой смеси соответственно на выходе из колонны и на входе в нее.

240